[發明專利]用于微生物電化學系統的聚芳醚陰離子交換膜及其制備方法

在審

• 申請號: 201610186231.5
• 申請日: 2016-03-29
• 公開（公告）號: CN105670291A
• 公開（公告）日: 2016-06-15
• 發明（設計）人: 張本貴;吳凡;孫勝美;馬成杰;聶鑫
• 申請（專利權）人: 沈陽化工大學
• 主分類號: C08L81/06
• 分類號: C08L81/06;C08G75/23;C08J5/18;C08J7/12;H01M8/10;H01M8/16
• 代理公司: 沈陽技聯專利代理有限公司 21205
• 代理人: 張志剛

技術領域

本發明涉及一種離子交換膜及其制備并應用方法，特別是涉及一種用于微生物電化學系統的聚芳醚陰離子交換膜及其制備方法。

背景技術

微生物電化學系統是利用電化學活性細菌作為催化劑來催化電極表面電化學反應的體系，根據其電能是凈輸入還是輸出系統，可將其劃分為微生物燃料電池和微生物電解池兩大類。微生物電化學系統的陽極可處理有機物廢水，如市政廢水、食品加工和釀酒廢水、造紙廢水、養殖業廢水等，降解廢水中的有機物而產電，陰極可以實現對某些污染物的還原去除，如某些重金屬廢水，如含高價鉻、銅等重金屬離子進行還原沉淀，實現對這些有害重金屬的高效去除。因此微生物電化學系統在水資源保護和環境污染治理方面具有十分重要的應用前景。

雙室型微生物電化學系統是常見的微生物電化學系統構造，隔膜用于分隔陰極室和陽極室，阻隔兩室中的活性物質相互滲透，同時傳導離子形成電流回路。以常見的雙室型微生物燃料電池為例，隔膜分隔陽極室和陰極室，防止陰極室的氧氣向厭氧環境的陽極室擴散，同時防止陽極室的用于培養微生物的有機物向陰極室擴散，降低電池的電流效率。因此隔膜性能對微生物電化學系統的性能影響很大。陽離子交換膜、陰離子交換膜、超濾膜等均可用于微生物電化學系統，目前商品膜主要有全氟磺酸膜如Nafion膜，具有很好的穩定性和電化學性能，但其價格昂貴，氧氣滲透速率高，有機底物容易滲透。以磺化苯乙烯/二乙烯苯共聚物為基材的CMI-7000膜，價格較便宜，但是其在耐微生物侵蝕方面存在較大的問題，容易被微生物污染，降低其使用壽命。目前尚無以微生物電化學系統為應用目的的商品膜。

發明內容

本發明的目的在于提供一種用于微生物電化學系統的聚芳醚陰離子交換膜及其制備方法，將荷正電的陰離子交換基團引入聚芳醚分子結構中，制備的聚芳醚陰離子交換膜具有優良抗微生物污染和抗侵蝕能力，穩定性高、優異的機械強度和離子傳導性能，在微生物電化學系統中具有重要的應用前景。

本發明的目的是通過以下技術方案實現的：

聚芳醚陰離子交換膜，所述膜的聚合物分子鏈含有如下結構：

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聚芳醚陰離子交換膜的制備方法，所述方法包括以下步驟：聚芳醚溶解于溶劑中，加入鹵甲基烷基醚和催化劑，攪拌下進行反應；反應結束后，將反應物倒入沉淀劑中，分離、洗滌、干燥，得到鹵甲基化聚芳醚；鹵甲基化聚芳醚的結構簡式如下：

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將鹵甲基化聚芳醚溶解于溶劑中配制成溶液，鑄膜，將溶劑完全蒸發或部分蒸發后浸入沉淀劑中，得到鹵甲基化聚芳醚基膜，烘膜溫度為10~150^oC，烘膜時間為0~48小時；將鹵甲基化聚芳醚基膜浸泡于含氮有機小分子的溶液中進行胺化處理，得到聚芳醚陰離子交換膜；胺化處理溫度為0~90^oC，時間為0~96小時；

聚芳醚陰離子交換膜或通過先胺化后制膜的方法實現：將鹵甲基化聚芳醚溶解于溶劑中配制成溶液，加入含氮有機小分子進行胺化反應，反應溫度為0~90^oC，反應時間為0~96小時；胺化反應后的溶液鑄膜，將溶劑完全蒸發或部分蒸發后浸入沉淀劑中，得到聚芳醚陰離子交換膜，烘膜溫度為10~150^oC，烘膜時間為0~48小時；

聚芳醚陰離子交換膜的結構簡式如下：

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所述聚芳醚陰離子交換膜的制備方法，所述聚芳醚的鹵甲基化改性用鹵甲基烷基醚為氯甲基甲醚、氯甲基乙醚、氯甲基丁醚、氯甲基辛醚、溴甲基甲醚、溴甲基乙醚、、溴甲基丁醚、溴甲基辛醚。

所述聚芳醚陰離子交換膜的制備方法，所述聚芳醚的鹵甲基化改性所用的催化劑為無水氯化鋅、無水氯化鐵、無水氯化鋁、無水溴化鋅、無水溴化鐵、無水溴化鋁、金屬鋅粉、金屬鐵粉、金屬鋁粉、無水四氯化錫、濃硫酸、磷酸、氯鋁酸離子液體或三氟甲基磺酸。

所述的聚芳醚陰離子交換膜的制備方法，所述聚芳醚的鹵甲基化改性所用溶劑為氯仿、二氯甲烷、二氯乙烷、四氯乙烷、硝基苯、氯苯或濃硫酸；所用沉淀劑為水、甲醇、乙醇、丙醇、乙醚、四氫呋喃、丙酮、丁酮、乙酸乙酯中的一種或兩種以上的混合溶劑；聚芳醚的鹵甲基化改性的反應溫度為-10^oC-120^oC，反應時間為1-72小時。